CN111692234B - 基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于挤压‑剪切模式的水冷式磁流变离合器及控制方法，适用于工矿企业中使用。包括左导磁外壳和右导磁外壳，左导磁外壳和右导磁外壳扣合后内部设有空腔，空腔内设有励磁线圈，励磁线圈内侧设有离合器主体，离合器主体包括主动组件、从动组件和液压驱动组件，其中主动组件包括左传动盘，左传动盘内设有包括多个周向延伸的圆环状冷却水流道和多个径向冷却水流道，液压驱动组件通过压盘推动左传动盘相邻的中间传动盘向左运动从而传递更大的转矩。其在左传动盘内的冷却水道既能有效散热又保持高磁导率，利用液压驱动组件提高了转矩传控能力，从而获得数倍的功率/体积比或功率/质量比。

Description

基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种磁流变离合器及控制方法，尤其适用于工矿企业中使用的基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器及控制方法。

背景技术

磁流变液是一种新型的智能材料，能够在外加磁场作用下发生独特的流变特性，从低粘度的类牛顿流体变为高粘度的类固体态，表现出一定的抗剪屈服应力，而且这种流变特性具有瞬间性，可逆性，可控性极强。目前磁流变液已经以其响应快、能耗低、易于控制、耐用性好、工作温度范围宽、使用寿命长等优势而被广泛用于航空航天/机械加工/精密工程/建筑/医疗等领域。近年来，以磁流变液智能材料为基础的磁流变离合器因其具有响应速度快、低噪音、体积小、传动部件磨损小、可实现无级调速、柔性传动、控制能耗低以及易实现调速过程的遥控和自动控制等特点，正广泛应用在众多需要转速、转矩调节的场合，如风机、水泵、球磨机等无级调速，带式输送机、刮板输送机等软启动以及风电机组、随车发电系统等的定速输出等场合。

但磁流变液剪切屈服强度不足问题一直限制着磁流变液离合器的发展，依据现有剪切工作模式下设计的磁流变离合器，因其传递转矩较小而无法满足工业需求。为增大磁流变液离合器的转矩传递能力，已有专利采用对磁流变液挤压的方式拓宽磁流变液离合器的工作模式，如美国专利US5848678利用热敏材料受热拉伸，中国专利CN205859077U利用记忆合金受热变形，CN103089863A利用螺纹挤压，CN102562857A、CN106949211A、CN203257931U利用电磁驱动挤压，CN103470654A利用压电驱动挤压，上述专利通过各种挤压驱动方式把传统磁流变液离合器的单一剪切模式拓展为剪切混合模式，大大提升了其转矩传递能力。但这些驱动挤压方式存在可控性差或驱动功率密度低等不足。

发明内容

针对上述技术的不足之处，提供一种驱动功率大、控制精度高且控制稳定性好，具有很高的转矩/质量比或转矩/体积比的基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器及控制方法。

为了实现上述技术目的，本发明的基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器，它包括通过螺栓连接的左导磁外壳和右导磁外壳，左导磁外壳和右导磁外壳两侧轴向开口，左导磁外壳和右导磁外壳扣合后内部设有空腔，空腔内设有励磁线圈，励磁线圈内侧设有离合器主体，离合器主体包括主动组件、从动组件和液压驱动组件，其特征在于：

所述主动组件包括主动轴、左端盖、锁止螺母a、圆锥滚子轴承a、左轴承座、左传动盘、隔磁套和右传动盘；左轴承座螺栓固定在左导磁外壳的轴向开孔中，所述主动轴穿过左轴承座与并与左传动盘以螺钉固定连接，左传动盘内设有多条散热用冷却水流道，主动轴与左轴承座之间设有一对圆锥滚子轴承a，左轴承座上设有固定主动轴的左端盖，左端盖与固定主动轴(1)支架之间设有多个密封圈，左端盖与左轴承座之间设有锁止螺母a，利用锁止螺母a对圆锥滚子轴承a轴向定位，主动轴内部设有多条冷却水通道，主动轴的侧壁上设有穿过左端盖将冷却水通道与外接连同的进水口和出水孔，左传动盘与右传动盘的外圆周之间通过螺栓固定设有隔磁套，左传动盘与隔磁套、右传动盘之间留有磁流变液工作空间，隔磁套与左传动盘和右传动盘之间分别设有O型密封圈a静密封；

所述从动组件包括滚珠花键、压盘、右轴承座、右端盖、锁止螺母b、中间传动盘和圆锥滚子轴承b，其中滚珠花键包括滚珠花键轴和滚珠花键套筒，压盘设置在滚珠花键套筒外侧，右轴承座设置在滚珠花键轴外侧，所述中间传动盘设置在主动组件的磁流变液工作空间内，中间传动盘的右侧中心处通过螺栓与压盘连接，压盘穿过右传动盘，压盘内与滚珠花键套筒以平键连接传递转矩，通过滚珠花键使得压盘向滚珠花键轴传递转矩的同时还能够相对其轴向移动，从而保证压盘在液压驱动组件的作用下带动中间传动盘轴向移动的同时能够传递转矩给滚珠花键轴，滚珠花键轴通过一对圆锥滚子轴承b径向支撑在右轴承座上，同时利用锁止螺母b对轴承轴向定位，右端盖通过螺钉与右轴承座固定连接；

所述液压驱动组件.包括紧固套筒、圆锥滚子轴承c、油缸、格莱密封圈；油缸包括油缸缸盖、油缸缸筒和油缸活塞，其中紧固套筒设置在右导磁外壳右侧开口内、压盘的外侧，紧固套筒与压盘之间设有一对圆锥滚子轴承c用以防止油缸活塞随着压盘旋转，油缸活塞为空心活塞，右轴承座设置在油缸活塞内，油缸活塞设置在油缸缸筒内，右导磁外壳轴向开孔上通过油缸缸盖与油缸缸筒螺栓连接，油缸缸盖与油缸活塞支架内设有O型密封圈b，油缸活塞通过格莱密封圈与油缸缸筒形成接触式密封防止油缸内的油液泄漏，一对圆锥滚子轴承c与压盘和油缸活塞通过紧固套筒作轴向紧固，油缸活塞设置在右轴承座的外侧、油缸缸筒的内侧，油缸活塞与紧固套筒之间连接卡扣连接，油缸缸筒上分别设有两个油口，可以通过油液控制油缸活塞在油缸内轴向往复运动，从而通过压盘带动中间传动盘在磁流变液工作空间中轴向向左或向右运动，磁流变液工作空间内设有包裹中间传动盘的磁流变液，

所述中间传动盘圆心处设有与压盘固定连接的螺栓孔，圆孔外侧设有围绕圆形均匀分布的扇形开口，当中间传动盘在轴向移动挤压磁流变液形成的磁柱链时将多余的磁流变液流到中间传动盘右侧的工作间隙中，可在旋转运动传递扭矩的同时在压盘的带动下轴向往复运动。

所述右传动盘圆心处开有容纳压盘穿过的开孔，压盘与右传动盘中的开口之间设有弹性挡圈和H型密封圈，压盘穿过右传动盘与中间传动盘连接；弹性挡圈和H型密封圈用以以保证压盘带动中间传动盘与右传动盘轴向往复运动以及旋转运动时磁流变液不易泄露；所述H型密封圈为碳纤维填料铁氟龙材质，具有较好的密封效果，利用弹性挡圈对其轴向定位，防止其在压盘相对右传动盘轴向移动时传动导致降低密封效果。

所述油缸缸筒内在油缸活塞与右端盖之间设有活塞行程调整垫环，通过调整活塞行程调整垫环从而调整液压驱动组件的行程。

所述主动轴内与出水孔连接的冷却水通道位于轴向圆心，与进水口连接的冷却水通设置在圆心的上下两侧。

所述左传动盘内的冷却水流道包括多个周向延伸的圆环状冷却水流道和多个径向冷却水流道，其中多个圆环状冷却水流道均为凹凸曲折结构，多个径向冷却水流道包括一条横向连接所有圆环状冷却水流的冷却水出水道和两条垂直设置在冷却水出水道上下的冷却水进水道，冷却水出水道和冷却水进水道均为多段式阶梯结构，台阶段的数量与圆环状冷却水流道相同，越靠近左传动盘圆心处越宽，越靠近圆周越窄；周向延伸的圆环状冷却水流道和多个径向冷却水流道之间交汇的入口具有不同的孔口直径；既能够保证对左传动盘的冷却效果，又能使左传动盘的绝大部分面积保持实心结构而保持高磁导率，具体的左传动盘内的冷却水出水道中心开有与主动轴的出水孔连接的水孔，两条垂直设置的冷却水进水道不与冷却水出水道直接连通，两条冷却水进水道上分别设有与主动轴的进水口连接的两个水孔，进水管与出水管之间通过多个相互嵌套的圆环状冷却水流道；

冷却水由主动轴上的进水孔流入左传动盘内的上下两处冷却水进水道，当经过最小内径的圆环状冷却水流道时一部分冷却水进入圆环状冷却水流道经过左右两处冷却水出水道从中心的水孔流入主动轴上轴向的冷却水通道，并从出水孔流出，另一部分冷却水在旋转离心力的作用下继续通过上下两处进水流道往外径方向，径向冷却水流道为阶梯状，越往外径方向流道孔径越小，从而产生液阻作用，防止在离心力的作用下冷却水流全部流向最外处圆环状冷却水流道，导致内部难以冷却，圆环状冷却水流道结构为凹凸曲折结构，可以改变进入水流通道流体的普朗特数和流体温度边界层和流动边界层的关系，把冷却水的层流流动转化为湍流与二次涡流的复杂流动状态，增大流固耦合面间的热交换效率，同时克服了工作时在旋转离心力作用下冷却水全部或大部分流向最外侧冷却通道的弊端。

右轴承座内与油缸活塞内孔之间设有用以测量出油缸活塞位移量的位移传感器。

所述液压驱动装置的两个油口通过管路连接有电液控制装置，它包括电机、油泵、吸油过滤器、回油过滤器、比例溢流阀、电磁换向阀、普通调速阀、比例流量阀；其中通过括电机驱动的油泵通过管路与设置在油缸里的吸油过滤器连接，油泵通过管路与电磁换向阀连接，管路上设有比例溢流阀，电磁换向阀管路与设在油缸中的回油过滤器连接，电磁换向阀还通过两条管路分别与液压驱动装置的两个油口连接，两条管路支架内设有普通调速阀，其中一条管路上设有比例流量阀；通过电磁换向阀作压力控制或位移控制的切换，所述液压驱动装置中的控制油缸为固定油缸，所述油缸活塞与所述压盘之间设有两个圆锥滚子轴承并通过紧固套筒把油缸活塞、圆锥滚子轴承c和压盘在轴向固定连接，从而保证油缸活塞在油压的作用下可往返无回程误差的带动压盘作轴向移动，同时通过圆锥滚子轴承c的设计避免压盘的旋转带动油缸活塞运动。

一种基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器的控制方法，其步骤为：

工作时利用励磁线圈控制磁流变液工作空间中的磁流变液的剪切屈服强度从而改变离合器的传动能力；当负载转矩较小时，通过调节励磁线圈中输入电流的大小来控制传递转矩转速的大小；当所需负载转矩超过电流调控的上限后，启动液压驱动装置驱动油缸活塞提供轴向挤压应力，油缸活塞位移经过压盘的传递带动中间传动盘在磁流变液工作间隙内向左传动盘方向移动，从而对压缩左传动盘与中间传动盘之间的磁流变液工作间隙内的磁流变液磁链结构进行压缩，在此挤压应力的作用下磁流变液形成更密实的柱状结构带来更强大的抗剪切屈服强度，使主动组件可以向从动组件传递更大的转矩，从动组件经过压盘最终把转矩传递给滚珠花键轴。

将油缸内油缸活塞左侧的空间定义为油缸左腔、右侧定义为油缸右腔；

液压驱动装置启动时，在电机带动下，油泵从油箱中供出的压力油经吸油过滤器过滤后，清洁的压力油首先由电磁换向阀右位流入油缸左腔，多余油液流量q1经过普通调速阀分别以流量q2流入油缸右腔，以流量q3通过比例流量阀返回油箱；此时，q2＝q1-q3；当q1>q3时，q2>0，油缸活塞工进；当q1<q3时，q2<0，油缸活塞工退；调节比例流量阀开口度即可在无需电磁换向阀换向的情况下实现油缸活塞的进退，配合位移传感器即可实现油缸活塞的位移控制；此外还避免了比例溢流阀一直在小阀口下工作，从而实现油缸活塞的微进给控制；进行挤压应力控制时，电磁换向阀进入右位工作，压力油通过电磁换向阀右位经过普通调速阀自由流动进入油缸右腔，左腔直回油箱，调控比例溢流阀的压力即可控制油缸的进给压力。

有益效果：

1)通过在离合器结构中内置油缸和活塞，可以对磁流变液施加挤压强化效应，把单一的剪切流动模式拓展为挤压-剪切混合模式，极大增强了离合器的转矩传递上限，转矩传递路线：主动轴-左右传动盘-磁流变液-中间传动盘-压盘-滚珠花键套筒-滚珠花键轴；轴向往复运动路线：活塞-紧固套筒-压盘-中间传动盘；

2)通过液压油缸推动中间传动盘轴向运动，为了克服中间传动盘带动油缸活塞旋转，在压盘外侧增加一对轴承消除压盘与活塞之间的相对旋转，最终消除油缸和中间传动盘之间的相对旋转；为了消除中间传动盘与油缸活塞之间的回程误差，以紧固套筒做轴向紧固；为实现中间传动盘可与滚珠花键同步旋转传递转矩的同时两者之间作轴向运动且互相不干扰，通过压盘和滚珠花键的结构使中间传动盘和压盘可通过滚珠花键的套筒以很小的滚动摩擦在从动轴上作轴向运动，便于通过液压驱动装置对磁流变液的挤压应力作直接控制。

4)左传动盘中设有多个周向延伸的圆环状冷却水流道和多个径向冷却水流道，其中圆环状冷却水流道为流道截面采用凹凸交错不平的结构，改变流体的普朗特数和流体温度边界层和流动边界层的关系，把冷却水的层流流动转化为湍流与二次涡流的复杂流动状态，增大流固耦合面间的热交换效率；径向冷却水流道为多段式径向间隔的圆环流道，既能达到有效冷却的作用，又能有效减少磁阻降低励磁线圈的尺寸，多个径向间隔的流道孔径不同，越往外径方向，孔径越小，这是为了增加液阻，防止在旋转离心力作用下水流全部流道最外侧圆环流道中，导致内圈难以冷却；

克服了旋转离心力作用下冷却水全部或大部分流向最外侧冷却通道的弊端，使冷却水按照磁流变液工作间隙内温度的径向分布而最优的流向各径向间隔的流道内。

附图说明

图1为本发明基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器的结构示意图；

图2为本发明的电液控制装置结构示意图；

图3(a)为本发明的左传动盘内冷却水流道正视图；

图3(b)为本发明的左传动盘内冷却水流道的A-A剖视图；

图3(c)为本发明的左传动盘的圆环状冷却水流道结构示意图；

图4为本发明的中间传动盘结构示意图。

图中：1-主动轴；2-密封圈；3-左端盖；4-锁止螺母a；5-圆锥滚子轴承a；6-左轴承座；7-左导磁外壳；8-励磁线圈；9-隔磁套；10-O型密封圈a；11-右传动盘；12-右导磁外壳；13-紧固套筒；14-压盘；15-O型密封圈b；16-油缸活塞；17-油缸缸筒；18-右轴承座；19-活塞行程调整垫环；20-右端盖；21-锁止螺母b；22.a-滚珠花键轴；22.b-滚珠花键套筒；23-圆锥滚子轴承b；24-位移传感器；25-格莱密封圈；26-油缸缸盖；27-圆锥滚子轴承c；28-弹性挡圈；29-H型密封圈；30-磁流变液工作空间；31-中间传动盘；32-左传动盘；33-电机；34-油泵；35-吸油过滤器；36-回油过滤器；37-比例溢流阀；38-电磁换向阀；39-普通调速阀；40-比例流量阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

如图1所示，本发明的基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器，它包括通过螺栓连接的左导磁外壳7和右导磁外壳12，左导磁外壳7和右导磁外壳12两侧轴向开口，左导磁外壳7和右导磁外壳12扣合后内部设有空腔，空腔内设有励磁线圈8，励磁线圈8内侧设有离合器主体，离合器主体包括主动组件、从动组件和液压驱动组件，其特征在于：

所述主动组件包括主动轴1、左端盖3、锁止螺母a4、圆锥滚子轴承a5、左轴承座6、左传动盘32、隔磁套9和右传动盘11；左轴承座6螺栓固定在左导磁外壳7的轴向开孔中，所述主动轴1穿过左轴承座6与并与左传动盘32以螺钉固定连接，左传动盘32内设有多条散热用冷却水流道，所述主动轴1内与出水孔连接的冷却水通道位于轴向圆心，与进水口连接的冷却水通设置在圆心的上下两侧，主动轴1与左轴承座6之间设有一对圆锥滚子轴承a5，左轴承座6上设有固定主动轴1的左端盖3，左端盖3与固定主动轴1支架之间设有多个密封圈2，左端盖3与左轴承座6之间设有锁止螺母a4，利用锁止螺母a4对圆锥滚子轴承a5轴向定位，主动轴1内部设有多条冷却水通道，主动轴1的侧壁上设有穿过左端盖3将冷却水通道与外接连同的进水口和出水孔，左传动盘32与右传动盘11的外圆周之间通过螺栓固定设有隔磁套9，左传动盘32与隔磁套9、右传动盘11之间留有磁流变液工作空间30，隔磁套9与左传动盘32和右传动盘11之间分别设有O型密封圈a10静密封；

如图4所示，所述中间传动盘31圆心处设有与压盘14固定连接的螺栓孔，圆孔外侧设有围绕圆形均匀分布的扇形开口，当中间传动盘31在轴向移动挤压磁流变液形成的磁柱链时将多余的磁流变液流到中间传动盘31右侧的工作间隙中，可在旋转运动传递扭矩的同时在压盘14的带动下轴向往复运动；所述右传动盘11圆心处开有容纳压盘14穿过的开孔，压盘14与右传动盘11中的开口之间设有弹性挡圈28和H型密封圈29，压盘14穿过右传动盘11与中间传动盘31连接，弹性挡圈28和H型密封圈29用以以保证压盘14带动中间传动盘31与右传动盘11轴向往复运动以及旋转运动时磁流变液不易泄露，H型密封圈29为碳纤维填料铁氟龙材质，具有较好的密封效果，利用弹性挡圈对其轴向定位，防止其在压盘14相对右传动盘11轴向移动时传动导致降低密封效果；

所述从动组件包括滚珠花键、压盘14、右轴承座18、右端盖20、锁止螺母b21、中间传动盘31和圆锥滚子轴承b23，其中滚珠花键包括滚珠花键轴22.a和滚珠花键套筒22.b，压盘14设置在滚珠花键套筒22.b外侧，右轴承座18设置在滚珠花键轴22.a外侧，所述中间传动盘31设置在主动组件的磁流变液工作空间30内，中间传动盘31的右侧中心处通过螺栓与压盘14连接，压盘14穿过右传动盘11，压盘14内与滚珠花键套筒22.b以平键连接传递转矩，通过滚珠花键使得压盘14向滚珠花键轴传递转矩的同时还能够相对其轴向移动，从而保证压盘14在液压驱动组件的作用下带动中间传动盘31轴向移动的同时能够传递转矩给滚珠花键轴22.a，滚珠花键轴22.a通过一对圆锥滚子轴承b23径向支撑在右轴承座18上，同时利用锁止螺母b21对轴承轴向定位，右端盖20通过螺钉与右轴承座18固定连接；

所述液压驱动组件.包括紧固套筒13、圆锥滚子轴承c27、油缸、格莱密封圈25；油缸包括油缸缸盖26、油缸缸筒17和油缸活塞16，其中紧固套筒13设置在右导磁外壳12右侧开口内、压盘14的外侧，紧固套筒13与压盘14之间设有一对圆锥滚子轴承c27用以防止油缸活塞16随着压盘14旋转，油缸活塞16为空心活塞，右轴承座18设置在油缸活塞16内，油缸活塞16设置在油缸缸筒17内，右导磁外壳12轴向开孔上通过油缸缸盖26与油缸缸筒17螺栓连接，油缸缸盖26与油缸活塞16支架内设有O型密封圈b15，油缸活塞16通过格莱密封圈25与油缸缸筒17形成接触式密封防止油缸内的油液泄漏，一对圆锥滚子轴承c27与压盘14和油缸活塞16通过紧固套筒13作轴向紧固，油缸活塞16设置在右轴承座18的外侧、油缸缸筒17的内侧，油缸活塞16与紧固套筒13之间连接卡扣连接，油缸缸筒17上分别设有两个油口，可以通过油液控制油缸活塞16在油缸内轴向往复运动，从而通过压盘14带动中间传动盘31在磁流变液工作空间30中轴向向左或向右运动，磁流变液工作空间30内设有包裹中间传动盘31的磁流变液，所述油缸缸筒17内在油缸活塞16与右端盖20之间设有活塞行程调整垫环19，通过调整活塞行程调整垫环19从而调整液压驱动组件的行程。

如图3(a)、图3(b)和图3(c)所述，所述左传动盘32内的冷却水流道包括多个周向延伸的圆环状冷却水流道和多个径向冷却水流道，其中多个圆环状冷却水流道均为凹凸曲折结构，多个径向冷却水流道包括一条横向连接所有圆环状冷却水流的冷却水出水道和两条垂直设置在冷却水出水道上下的冷却水进水道，冷却水出水道和冷却水进水道均为多段式阶梯结构，台阶段的数量与圆环状冷却水流道相同，越靠近左传动盘32圆心处越宽，越靠近圆周越窄；周向延伸的圆环状冷却水流道和多个径向冷却水流道之间交汇的入口具有不同的孔口直径；既能够保证对左传动盘32的冷却效果，又能使左传动盘32的绝大部分面积保持实心结构而保持高磁导率，具体的左传动盘31内的冷却水出水道中心开有与主动轴1的出水孔连接的水孔，两条垂直设置的冷却水进水道不与冷却水出水道直接连通，两条冷却水进水道上分别设有与主动轴1的进水口连接的两个水孔，进水管与出水管之间通过多个相互嵌套的圆环状冷却水流道；

冷却水由主动轴上1的进水孔流入左传动盘32内的上下两处冷却水进水道，当经过最小内径的圆环状冷却水流道时一部分冷却水进入圆环状冷却水流道经过左右两处冷却水出水道从中心的水孔流入主动轴上1轴向的冷却水通道，并从出水孔流出，另一部分冷却水在旋转离心力的作用下继续通过上下两处进水流道往外径方向，径向冷却水流道为阶梯状，越往外径方向流道孔径越小，从而产生液阻作用，防止在离心力的作用下冷却水流全部流向最外处圆环状冷却水流道，导致内部难以冷却，圆环状冷却水流道结构为凹凸曲折结构，可以改变进入水流通道流体的普朗特数和流体温度边界层和流动边界层的关系，把冷却水的层流流动转化为湍流与二次涡流的复杂流动状态，增大流固耦合面间的热交换效率，同时克服了工作时在旋转离心力作用下冷却水全部或大部分流向最外侧冷却通道的弊端。

右轴承座18内与油缸活塞17内孔之间设有用以测量出油缸活塞17位移量的位移传感器24。

如图2所示，所述液压驱动装置的两个油口通过管路连接有电液控制装置，它包括电机33、油泵34、吸油过滤器35、回油过滤器36、比例溢流阀37、电磁换向阀38、普通调速阀39、比例流量阀40；其中通过括电机33驱动的油泵34通过管路与设置在油缸里的吸油过滤器35连接，油泵34通过管路与电磁换向阀38连接，管路上设有比例溢流阀37，电磁换向阀38管路与设在油缸中的回油过滤器36连接，电磁换向阀38还通过两条管路分别与液压驱动装置的两个油口连接，两条管路支架内设有普通调速阀39，其中一条管路上设有比例流量阀40；通过电磁换向阀38作压力控制或位移控制的切换，所述液压驱动装置中的控制油缸16为固定油缸，所述油缸活塞16与所述压盘14之间设有两个圆锥滚子轴承26并通过紧固套筒13把油缸活塞16、圆锥滚子轴承c27和压盘14在轴向固定连接，从而保证油缸活塞16在油压的作用下可往返无回程误差的带动压盘14作轴向移动，同时通过圆锥滚子轴承c27的设计避免压盘14的旋转带动油缸活塞16运动。

一种基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器的控制方法，其步骤如下：

工作时利用励磁线圈8控制磁流变液工作空间30中的磁流变液粘度从而改变离合器的传动能力；当负载转矩较小时，通过调节励磁线圈8中输入电流的大小来控制传递转矩转速的大小；当所需负载转矩超过电流调控的上限后，启动液压驱动装置驱动油缸活塞16提供轴向挤压应力，油缸活塞16位移经过压14盘的传递带动中间传动盘31在磁流变液工作间隙30内向左传动盘32方向移动，从而对压缩左传动盘32与中间传动盘31之间的磁流变液工作间隙30内的磁流变液磁链结构进行压缩，在此挤压应力的作用下磁流变液形成更密实的柱状结构带来更强大的抗剪切屈服强度，使主动组件可以向从动组件传递更大的转矩，从动组件经过压盘14最终把转矩传递给滚珠花键轴22.a。

将油缸内油缸活塞16左侧的空间定义为油缸左腔、右侧定义为油缸右腔；

液压驱动装置启动时，在电机33带动下，油泵34从油箱中供出的压力油经吸油过滤器35过滤后，清洁的压力油首先由电磁换向阀38右位流入油缸左腔，多余油液流量q1经过普通调速阀39分别以流量q2流入油缸右腔，以流量q3通过比例流量阀40返回油箱；此时，q2＝q1-q3；当q1>q3时，q2>0，油缸活塞16工进；当q1<q3时，q2<0，油缸活塞16工退；调节比例流量阀40开口度即可在无需电磁换向阀38换向的情况下实现油缸活塞16的进退，配合位移传感器24即可实现油缸活塞16的位移控制；此外还避免了比例溢流阀37一直在小阀口下工作，从而实现油缸活塞16的微进给控制；进行挤压应力控制时，电磁换向阀38进入右位工作，压力油通过电磁换向阀38右位经过普通调速阀39自由流动进入油缸右腔，左腔直回油箱，调控比例溢流阀37的压力即可控制油缸的进给压力。

在负载转矩较小时，通过调节励磁线圈中输入电流的大小来控制传递转矩转速的大小。当所需负载转矩超过电流调控的上限后，改变比例溢流阀的控制信号配合油缸右腔压力传感器实现轴向挤压应力控制。活塞的位移经过压盘的传递带动中间传动盘在磁流变液工作间隙内移动，对工作间隙内的磁链结构进行压缩，在此挤压应力的作用下形成更密实的柱状结构带来更强大的抗剪切屈服强度，因此主动轴组件可以向中间传动盘传递更大的转矩，中间传动盘经过压盘最终把转矩传递给滚珠花键轴。本发明通过励磁线圈电流与电液控制系统的(或压力)双重控制，可使磁流变液离合器传递数倍于单一电流控制下的转矩值。当离合器长时间处于滑差调速阶段时，冷却水经进水口进入，通过主动轴的径向与轴向水孔最终到达左传动盘内周向延伸、径向间隔的具有凹凸交错分布的表面结构的水流通道结构内，其复杂的湍流与二次涡流流动状态能带来高效的热交换效率，从而增强离合器的散热能力。

Claims (10)

1.一种基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器，它包括通过螺栓连接的左导磁外壳（7）和右导磁外壳（12），左导磁外壳（7）和右导磁外壳（12）两侧轴向开口，左导磁外壳（7）和右导磁外壳（12）扣合后内部设有空腔，空腔内设有励磁线圈（8），励磁线圈（8）内侧设有离合器主体，离合器主体包括主动组件、从动组件和液压驱动组件，其特征在于：

所述主动组件包括主动轴（1）、左端盖（3）、锁止螺母a（4）、圆锥滚子轴承a（5）、左轴承座（6）、左传动盘（32）、隔磁套（9）和右传动盘（11）；左轴承座（6）螺栓固定在左导磁外壳（7）的轴向开孔中，所述主动轴（1）穿过左轴承座（6）与并与左传动盘（32）以螺钉固定连接，左传动盘（32）内设有多条散热用冷却水流道，主动轴（1）与左轴承座（6）之间设有一对圆锥滚子轴承a（5），左轴承座（6）上设有固定主动轴（1）的左端盖（3），左端盖（3）与固定主动轴（1）支架之间设有多个密封圈（2），左端盖（3）与左轴承座（6）之间设有锁止螺母a（4），利用锁止螺母a（4）对圆锥滚子轴承a（5）轴向定位，主动轴（1）内部设有多条冷却水通道，主动轴（1）的侧壁上设有穿过左端盖（3）将冷却水通道与外接连同的进水口和出水孔，左传动盘（32）与右传动盘（11）的外圆周之间通过螺栓固定设有隔磁套（9），左传动盘（32）与隔磁套（9）、右传动盘（11）之间留有磁流变液工作空间（30），隔磁套（9）与左传动盘（32）和右传动盘（11）之间分别设有O型密封圈a（10）静密封；

所述从动组件包括滚珠花键、压盘（14）、右轴承座（18）、右端盖（20）、锁止螺母b（21）、中间传动盘（31）和圆锥滚子轴承b（23），其中滚珠花键包括滚珠花键轴（22.a）和滚珠花键套筒（22.b），压盘（14）设置在滚珠花键套筒（22.b）外侧，右轴承座（18）设置在滚珠花键轴（22.a）外侧，所述中间传动盘（31）设置在主动组件的磁流变液工作空间（30）内，中间传动盘（31）的右侧中心处通过螺栓与压盘（14）连接，压盘（14）穿过右传动盘（11），压盘（14）内与滚珠花键套筒（22.b）以平键连接传递转矩，通过滚珠花键使得压盘（14）向滚珠花键轴传递转矩的同时还能够相对其轴向移动，从而保证压盘（14）在液压驱动组件的作用下带动中间传动盘（31）轴向移动的同时能够传递转矩给滚珠花键轴（22.a），滚珠花键轴（22.a）通过一对圆锥滚子轴承b（23）径向支撑在右轴承座（18）上，同时利用锁止螺母b（21）对轴承轴向定位，右端盖（20）通过螺钉与右轴承座（18）固定连接；

所述液压驱动组件包括紧固套筒（13）、圆锥滚子轴承c（27）、油缸、格莱密封圈（25）；油缸包括油缸缸盖（26）、油缸缸筒（17）和油缸活塞（16），其中紧固套筒（13）设置在右导磁外壳（12）右侧开口内、压盘（14）的外侧，紧固套筒（13）与压盘（14）之间设有一对圆锥滚子轴承c（27）用以防止油缸活塞（16）随着压盘（14）旋转，油缸活塞（16）为空心活塞，右轴承座（18）设置在油缸活塞（16）内，油缸活塞（16）设置在油缸缸筒（17）内，右导磁外壳（12）轴向开孔上通过油缸缸盖（26）与油缸缸筒（17）螺栓连接，油缸缸盖（26）与油缸活塞（16）支架内设有O型密封圈b（15），油缸活塞（16）通过格莱密封圈（25）与油缸缸筒（17）形成接触式密封防止油缸内的油液泄漏，一对圆锥滚子轴承c（27）与压盘（14）和油缸活塞（16）通过紧固套筒（13）作轴向紧固，油缸活塞（16）设置在右轴承座（18）的外侧、油缸缸筒（17）的内侧，油缸活塞（16）与紧固套筒（13）之间连接卡扣连接，油缸缸筒（17）上分别设有两个油口，可以通过油液控制油缸活塞（16）在油缸内轴向往复运动，从而通过压盘（14）带动中间传动盘（31）在磁流变液工作空间（30）中轴向向左或向右运动，磁流变液工作空间（30）内设有包裹中间传动盘（31）的磁流变液。

2.根据权利要求1所述的基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器，其特征在于：所述中间传动盘（31）圆心处设有与压盘（14）固定连接的螺栓孔，圆孔外侧设有围绕圆形均匀分布的扇形开口，当中间传动盘（31）在轴向移动挤压磁流变液形成的磁柱链时将多余的磁流变液流到中间传动盘（31）右侧的工作间隙中，可在旋转运动传递扭矩的同时在压盘（14）的带动下轴向往复运动。

3.根据权利要求1所述的基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器，其特征在于：所述右传动盘（11）圆心处开有容纳压盘（14）穿过的开孔，压盘（14）与右传动盘（11）中的开口之间设有弹性挡圈（28）和H型密封圈（29），压盘（14）穿过右传动盘（11）与中间传动盘（31）连接， H型密封圈（29）用以以保证压盘（14）带动中间传动盘（31）与右传动盘（11）轴向往复运动以及旋转运动时磁流变液不易泄露，H型密封圈（29）为碳纤维填料铁氟龙材质，具有较好的密封效果，利用弹性挡圈对其轴向定位，防止其在压盘（14）相对右传动盘（11）轴向移动时传动导致降低密封效果。

4.根据权利要求3所述的基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器，其特征在于：所述油缸缸筒（17）内在油缸活塞（16）与右端盖（20）之间设有活塞行程调整垫环（19），通过调整活塞行程调整垫环（19）从而调整液压驱动组件的行程。

5.根据权利要求1所述的基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器，其特征在于：所述主动轴（1）内与出水孔连接的冷却水通道位于轴向圆心，与进水口连接的冷却水通道设置在圆心的上下两侧。

6.根据权利要求5所述的基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器，其特征在于：所述左传动盘（32）内的冷却水流道包括多个周向延伸的圆环状冷却水流道和多个径向冷却水流道，其中多个圆环状冷却水流道均为凹凸曲折结构，多个径向冷却水流道包括一条横向连接所有圆环状冷却水流的冷却水出水道和两条垂直设置在冷却水出水道上下的冷却水进水道，冷却水出水道和冷却水进水道均为多段式阶梯结构，台阶段的数量与圆环状冷却水流道相同，越靠近左传动盘（32）圆心处越宽，越靠近圆周越窄；周向延伸的圆环状冷却水流道和多个径向冷却水流道之间交汇的入口具有不同的孔口直径；既能够保证对左传动盘（32）的冷却效果，又能使左传动盘（32）的绝大部分面积保持实心结构而保持高磁导率，具体的左传动盘（32）内的冷却水出水道中心开有与主动轴（1）的出水孔连接的水孔，两条垂直设置的冷却水进水道不与冷却水出水道直接连通，两条冷却水进水道上分别设有与主动轴（1）的进水口连接的两个水孔，进水管与出水管之间通过多个相互嵌套的圆环状冷却水流道；

冷却水由主动轴上（1）的进水孔流入左传动盘（32）内的上下两处冷却水进水道，当经过最小内径的圆环状冷却水流道时一部分冷却水进入圆环状冷却水流道经过左右两处冷却水出水道从中心的水孔流入主动轴上（1）轴向的冷却水通道，并从出水孔流出，另一部分冷却水在旋转离心力的作用下继续通过上下两处进水流道往外径方向，径向冷却水流道为阶梯状，越往外径方向流道孔径越小，从而产生液阻作用，防止在离心力的作用下冷却水流全部流向最外处圆环状冷却水流道，导致内部难以冷却，圆环状冷却水流道结构为凹凸曲折结构，可以改变进入水流通道流体的普朗特数和流体温度边界层和流动边界层的关系，把冷却水的层流流动转化为湍流与二次涡流的复杂流动状态，增大流固耦合面间的热交换效率，同时克服了工作时在旋转离心力作用下冷却水全部或大部分流向最外侧冷却通道的弊端。

7.根据权利要求3所述的基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器，其特征在于：右轴承座（18）内与油缸活塞（16）内孔之间设有用以测量出油缸活塞（16）位移量的位移传感器（24）。

8.根据权利要求1所述的基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器，其特征在于：所述液压驱动组件的两个油口通过管路连接有电液控制装置，它包括电机（33）、油泵（34）、吸油过滤器（35）、回油过滤器（36）、比例溢流阀（37）、电磁换向阀（38）、普通调速阀（39）、比例流量阀（40）；其中通过括电机（33）驱动的油泵（34）通过管路与设置在油缸里的吸油过滤器（35）连接，油泵（34）通过管路与电磁换向阀（38）连接，管路上设有比例溢流阀（37），电磁换向阀（38）管路与设在油缸中的回油过滤器（36）连接，电磁换向阀（38）还通过两条管路分别与液压驱动组件的两个油口连接，两条管路支架内设有普通调速阀（39），其中一条管路上设有比例流量阀（40）；通过电磁换向阀（38）作压力控制或位移控制的切换，所述液压驱动组件中的油缸缸筒（17）为固定油缸，所述油缸活塞（16）与所述压盘（14）之间设有两个圆锥滚子轴承并通过紧固套筒（13）把油缸活塞（16）、圆锥滚子轴承c（27）和压盘（14）在轴向固定连接，从而保证油缸活塞（16）在油压的作用下可往返无回程误差的带动压盘（14）作轴向移动，同时通过圆锥滚子轴承c（27）的设计避免压盘（14）的旋转带动油缸活塞（16）运动。

9.一种适用于权利要求1所述的基于挤压-剪切模式的水冷式磁流变离合器的控制方法，其特征在于步骤如下：

工作时利用励磁线圈（8）控制磁流变液工作空间（30）中的磁流变液粘度从而改变离合器的传动能力；当负载转矩较小时，通过调节励磁线圈（8）中输入电流的大小来控制传递转矩转速的大小；当所需负载转矩超过电流调控的上限后，启动液压驱动组件驱动油缸活塞（16）提供轴向挤压应力，油缸活塞（16）位移经过压盘（14）的传递带动中间传动盘（31）在磁流变液工作空间（30）内向左传动盘（32）方向移动，从而对压缩左传动盘（32）与中间传动盘（31）之间的磁流变液工作空间（30）内的磁流变液磁链结构进行压缩，在此挤压应力的作用下磁流变液形成更密实的柱状结构带来更强大的抗剪切屈服强度，使主动组件可以向从动组件传递更大的转矩，从动组件经过压盘（14）最终把转矩传递给滚珠花键轴（22.a）。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：将油缸内油缸活塞（16）左侧的空间定义为油缸左腔、右侧定义为油缸右腔；

液压驱动组件启动时，在电机（33）带动下，油泵（34）从油箱中供出的压力油经吸油过滤器（35）过滤后，清洁的压力油首先由电磁换向阀（38）右位流入油缸左腔，多余油液流量q1经过普通调速阀（39）分别以流量q2流入油缸右腔，以流量q3通过比例流量阀（40）返回油箱；此时，q2= q1- q3；当q1> q3时，q2>0，油缸活塞（16）工进；当q1< q3时，q2< 0，油缸活塞（16）工退；调节比例流量阀（40）开口度即可在无需电磁换向阀（38）换向的情况下实现油缸活塞（16）的进退，配合位移传感器（24）即可实现油缸活塞（16）的位移控制；此外还避免了比例溢流阀（37）一直在小阀口下工作，从而实现油缸活塞（16）的微进给控制；进行挤压应力控制时，电磁换向阀（38）进入右位工作，压力油通过电磁换向阀（38）右位经过普通调速阀（39）自由流动进入油缸右腔，左腔直回油箱，调控比例溢流阀（37）的压力即可控制油缸的进给压力。

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